20万吨合成氨脱硫工段设计解析

&用诫& 了说Henan University of Urban Construction课程设计题目10万吨/年合成氨原料气脱硫设计学院：化学与材料工程学院专业：化学工程与工艺姓 名：学 号：指导老师：赵振新完成时间：2016年01月06日河南城建学院本科课程设计设计说明设计说明本设计对焦炉煤气净化脱硫工艺进行了设计计算，着重设计计算了脱硫过程 的关键设备，包括物料衡算，热量衡算，填料塔反应器尺寸的计算及辅助设备的 选取，并对主要设备进行了机械强度校核。1、工艺选择对煤气进行脱硫的方法主要有两种：干法脱硫和湿法脱硫。由于干法脱硫一 般用于二次脱除含硫量较低的煤气。湿法脱硫方法较多，且能脱除含硫量较高的 煤气，有氨水催化法、改良蒽醌二磺酸法(A.D.A法)、栲胶法及有机胺法。栲胶 法脱硫是目前工业化生产中应用较多的湿式脱硫方法，它本身有许多优越之处。优点：(1) 栲胶资源丰富、价格低廉、无毒性、脱硫溶液成本低，因而操作费用要 比改良ADA法低。(2) 脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小。栲胶本身既是氧化剂，又是 钒的络合剂，脱硫溶液的组成比改良ADA法简单，且脱硫过程没有硫磺堵塔问题。(3) 脱硫效率大于98%，所析出的硫容易浮选和分离。(4) 栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程，脱硫与再生同时进行， 不需要设置备用脱硫塔。(5) 煤气脱硫净化程度可以根据企业需要，通过调整溶液配比调整，适时加 以控制，净化后煤气中H2S含量稳定。综合实际工艺要求，在本设计中，采用湿式栲胶法进行对焦炉煤气的硫化物 脱除。2、设计计算(1) 物料衡算采用栲胶法脱除焦炉煤气中的硫化氢，设计中脱硫塔气体中的H2S含量为2.4g/m3，净化后H2S含量为0.05 g/m3。在进行物料衡算时，由 38518.32 m3/h的原料气进入脱硫塔，计算得脱硫量为 90.51 kg/h，脱硫液循环量为3995.70 m3/h。(2) 热量衡算分别对洗涤塔、硫泡沫槽和熔硫釜进行了热量衡算，算得洗涤塔的热负荷为1.82 X06 kJ/h，冷却水消耗量为86.67 m3/h;硫泡沫槽的热负荷为51.01 X0 kJ/h，蒸汽消耗量为45.86 kg/h;熔硫釜的热负荷为479155.94 KJ釜，蒸 汽消耗量为217.57 kg/釜。强度校核 塔体壁厚为10 mm,封头厚度为10 mm。3、主要设备参数计算得塔径为3.2 m,塔高16.9 m,填料层高度10 m,压降为350 Pa4、图的绘制内容本设计共绘制两张图，分别为填料塔设备图、工艺流程图关键词：栲胶法，焦炉煤气，工艺计算河南城建学院本科课程设计目录目录设计说明目录主要符号说明1弓丨言-1-1.1 概述-1-1.2焦炉煤气净化的现状-1-1.3栲胶的认识-1-1.4栲胶法脱硫的优缺点 -3-1.4.1 优点-3-1.4.2 缺点-3-1.4.3硫化物对作为原料气生产工艺过程的危害 -4-1.4.4粗煤气脱硫系统的正常开车操作要点 -4-1.4.5脱硫后硫化氢含量高的主要原因 -5-2生产流程说明-6-2.1反应机理-6-2.2主要操作条件-6-2.3工艺流程-7-2.4主要设备介绍-8-2.4.1填料塔-8-2.4.2氧化槽-9-2.4.3 反应槽-10-2.4.4 贫液泵-10-2.4.5硫泡沫槽-10-2.4.6 过滤器-10-3工艺计算-12-3.1物料衡算-12-3.1.1基础数据-12-3.1.2计算原料气的体积及流量 -12-3.2热量衡算-15-3.2.1基础数据-15 -3.2.2洗涤塔热量衡算 183.2.3硫泡沫槽热量衡算 -18-3.2.4熔硫釜热量衡算194主要设备的工艺尺寸和选型 -20 -4.1填料吸收塔设计计算 -20 -4.1.1塔径的确定 -20 -4.1.2填料层高度计算 -21 -4.1.3压降的计算-22 -4.2喷射再生槽的计算 -24 -4.2.1 槽体-24 -4.2.2 喷射器-24 -4.3辅助设备的计算选型 -26 -4.3.1液体分布装置 -26 -4.3.2液体再分布器 -27 -4.3.3填料支承板 -27 -4.3.4 封头-27 -4.3.5 裙座-28 -4.3.6 人孑L,手孑L - 28 -5机械强度校核计算 -29 -5.1壁厚的计算-29 -5.1.1塔体壁厚-29 -5.1.2封头壁厚-29 -6设计结果31参考文献32附录33致谢34河南城建学院本科课程设计目录GC2GoTiT2P0PGiLtG2G3M Na2S2O3h2sG4G5M申G6SG7S2Q cp ti主要符号说明名称焦炉煤气中H2S初始含量 净化气中 H2S含量 入吸收塔焦炉煤气量 入吸收塔焦炉煤气温度 出吸收塔焦炉煤气温度 入吸收塔焦炉煤气压力 出吸收塔焦炉煤气压力 H2S的脱出量 溶液循环量溶液硫容量生成Na2S2O3消耗H2S量N32S2O3的生成量Na2S2O3的相对分子质量H2S的相对分子质量 生成Na2S2O3消耗纯碱量 理论硫回收量S的相对分子质量理论硫回收率 入熔硫釜硫膏量 硫膏含硫量 硫泡沫生成量 硫泡沫中硫含量 冷却塔热负荷 焦炉煤气平均等压比热容 入吸收塔焦炉煤气温度 出吸收塔焦炉煤气温度 入吸收塔焦炉煤气含水量 出吸收塔焦炉煤气含水量 冷却水消耗量 硫泡沫槽热负荷 硫泡沫体积单位g/m3g/m3m3/hoCoCMpaMpaKg/hKg/hKg/m3Kg/hKg/hg/molg/molKg/hKg/h g/mol%Kg/h3Kg/m m3/hKg/m3Kg/m3KJ/(kmol C)0CCKg/KmolKg/KmolKg/hKJ/h3m河南城建学院本科课程设计目录符号名称单位W蒸汽消耗量Kg/釜20.4MPa蒸汽的汽化热KJ/KgUf泛点气速m/sL流体质量流量Kg/hG气体质量流量Kg/hA填料比表面积2. 3 m /mz填料孔隙率2. 3 m /m溶液粘度m-Pas气体密度Kg/m3液体密度Kg/m3A,K关联常数g重力加速度m/s2D吸收塔直径mKg吸收过程传质系数2Kg/m h MpaA经验数u吸收塔操作气速m/sCNa溶液中Na2CO3的含量g/LB吸收过程液气比L/m3Pm吸收过程平均推动力MpaR吸收塔入口气相H2S分压MpaP2吸收塔出口气相H2S分压Mpa*R吸收塔入口气相H2S平衡 分压Mpa*R2吸收塔出口气相H2S平衡 分压MpaFr所需传质面积2 mHr填料层咼度mu操作气速m/s力湿填料的填料因子-1 mcp液体密度校正系数G气体密度Kg/m3L液体密度Kg/m3R填料层压降Pa符号名称单位(lw )min最小润湿速率m3 / m hU min最小喷淋密度m /m hA塔截面积2 mHt总持液量33m /mh塔釜液所占空间高度mH塔的总高mDi再生槽直径mD2再生槽扩大部分直径mHt再生槽高度mHi再生槽有效高度mH2喷射器出口到槽底距离mH3扩大部分高度mN喷嘴个数个di喷嘴孔径mLi溶液入口管直径mL2喷嘴入口收缩段长度mL3喷嘴总长度mdm混合管直径mdM吸气室直径nmda空气入口管直径nmL6吸气室收缩长度nmL5吸气室高度nmL每个喷射器溶液量m3/hw喷射处溶液流速m/s:1喷射再生槽喷嘴入口收缩 角0：2喷射再生槽吸气室收缩角0WA喷射再生槽管内空气流速m/sde尾管直径mmWe尾管中流体速度m/s：3喷射再生槽尾管直径扩张 角0L7扩张管长度nm河南城建学院本科课程设计1引言1.1概述焦炉煤气粗煤气中硫化物按其化合态可分为两类：无机硫化物，主要是硫化氢（H2S）,有机硫化物，如二硫化碳（CS2）,硫氧化碳（COS）,硫醇（C2H5SH） 和噻吩（C4H4S）等。有机硫化物在温度下进行变换时，几乎全部转化为硫化氢。 所以煤气中硫化氢所含的硫约占煤气中硫总量的90%以上，因此，煤气脱硫主要是指脱除煤气中的硫化氢，焦炉煤气中含硫化氢815g/m3,此外还含0.51.5g/m3氰化氢。硫化氢在常温下是一种带刺鼻臭味的无色气体，其密度为1.539kg/m3。硫化 氢及其燃烧产物二氧化硫（SO2 ）对人体均有毒性，在空气中含有 0.1%的硫化 氢就能致命。煤气中硫化氢的存在会严重腐蚀输气管道和设备，如果将煤气用做 各种化工原料气，如合成氨原料气时，往往硫化物会使催化剂中毒，增加液态溶 剂的黏度，影响产品的质量等。因此，必须进行煤气的脱硫。1.2焦炉煤气净化的现状煤气的脱硫方法从总体上来分有两种：热煤气脱硫和冷煤气脱硫。在我国， 热煤气脱硫现在仍处于试验研究阶段， 还有待于进一步完善，而冷煤气脱硫是比 较成熟的技术，其脱硫方法也很多。冷煤气脱硫大体上可分为干法脱硫和湿法脱 硫两种方法，干法脱硫以氧化铁法和活性炭法应用较广，而湿法脱硫以砷碱法、 ADA、改良ADA和栲胶法颇具代表性。湿法脱硫可以处理含硫量高的煤气， 脱硫剂是便于输送的液体物料，可以再 生，且可以回收有价值的元素硫，从而构成一个连续脱硫循环系统。 现在工艺上 应用较多的湿法脱硫有氨水催化法、 改良蒽醌二磺酸法（A.D.A法）及有机胺法。 其中改良蒽醌二磺酸法的脱除效率高， 应用更为广泛。但此法在操作中易发生堵 塞，而且药品价格昂贵，近几年来，在改良A.D.A的基础上开发的栲胶法克服了这两项缺点。它是以纯碱作为吸收剂，以栲胶为载氧体，以NaVO2为氧化剂。基于此，在焦炉煤气脱硫工艺的设计中我采用湿式栲胶法脱硫工艺。1.3栲胶的认识栲胶是由植物的皮，果，茎及叶的萃取液熬制而成的。其主要成分为丹宁， 约占66%,以栲胶来配制脱硫液效果最佳。栲胶的主要成分为多种水解丹宁，是 有许多结构相似的酚类衍生物所组成的多酚基化合物，由于其含有许多活泼的烃 基，所以具有很强的吸氧能力，在脱硫过程中起着载氧的作用。 碱性栲胶脱硫液是由栲胶，碳酸钠及偏钒酸钠等主要成分构成的水溶液。 栲胶水溶液在空气中易 被氧化，即丹宁中较活泼的羟基易被空气中的氧氧化，生成醌态化合物。特别是当溶液的PH值大于9的时候，丹宁的氧化特别显著。由于栲胶水溶液在较高浓 度时成为典型的胶体溶液，并且在较低温度时容易出现NaVO3及NaHCO3沉淀,因此在配制脱硫液前必须对栲胶水溶液进行熟化预处理。即将含栲胶2033g/l，Na2CO3380133g/l的栲胶谁溶液直接通蒸汽与空气，在8090 C的条件下氧化 1024h,破坏其胶性。然后加NaVOs及软水或稀氨水，配制成含栲胶1.02.6g/l, Na2CO3 22.3g儿NaHCO33.24 g/l, NaVOn 22.5g/l脱硫液，送入脱硫液储存槽， 稀释后使用。脱硫过程中，酚类物质经空气再生氧化成醌态，因其具有较高电位，故能将 低价钒氧化成高价钒，进而使吸收在溶液中的硫氢根氧化、 析出单质硫。同时丹 宁能与多种金属离子(如钒、铬、铝等)形成水溶性络合物；在碱性溶液中丹宁 能用与铁、铜反应并在其材料表面形成丹宁酸性薄膜，因而具有防腐蚀作用。由于栲胶水溶液是胶体溶液，在将其配制成脱硫液之前，必须对其进行预处 理，以消除共胶体性和发泡性，并使其由酚态结构氧化成醌态结构， 这样脱硫溶 液才具有活性。在栲胶溶液氧化过程中，伴随着吸光性能的变化。当溶液充分氧 化后，其消光值则会稳定在某一数值附近， 这种溶液就能满足脱硫要求。通常制 备栲胶溶液的预处理条件列举在表 1中：表1.3制备栲胶溶液的与处理条件方法项目用NaCO配制溶液栲胶浓度/ (g L-1)1030碱度/N1.0 2.5氧化温度/C70 90空气量溶液不翻出器外消光值稳定在0.45将纯碱溶液用蒸汽加热，通入空气氧化，并维持温度8090 C,恒温10h以上，让丹宁物质发生降解反应，大分子变小，表面活性物质变成非表面活性物 质，达到预处理目的。栲胶法脱硫工艺，将碱性栲胶溶液打入溶液循环槽，自循环槽出来，经过滤 加压后进入系统的裂脱塔，吸收气体中的H2S,由裂脱塔出来的溶液进入裂脱再 生塔，再生好的溶液由塔底流到溶液循环槽， 经过滤加压循环使用。脱硫溶液从 循环槽出来后经过滤加压送到变脱塔， 吸收气体中的H2S，由变脱塔出来的溶液 进入变脱溶液再生塔，再生好的溶液由变脱再生塔出来，进入变脱溶液循环槽， 再经过滤加压，如此循环使用。1.4栲胶法脱硫的优缺点141优点栲胶法脱硫是目前工业化生产中应用较多的湿式脱硫方法，它本身有许多优越之处，但是与此同时，也存在着许多的不足。栲胶是聚酚类(丹宁)物质，可替代 ADA作为载氧体，价格低廉，栲胶本 身还是良好的络合剂，不需要添加酒石酸钾钠的络合剂。此法的吸收效果与ADA 相近，且具有不容易堵塞脱硫塔填料，栲胶资源丰富，价格便宜以及脱硫液活性 好，性能稳定，腐蚀性小等优点。此外，脱硫效率大于 98%，所析出的硫容易浮 选和分离。栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程， 脱硫与再生同时进 行，不需要设置备用脱硫塔。煤气脱硫净化程度可以根据企业需要， 通过调整溶 液配比调整，适时加以控制，净化后煤气中H2S含量稳定。(1) 栲胶资源丰富、价格低廉、无毒性、脱硫溶液成本低，因而操作费用要改良ADA法低。(2) 脱硫溶液的活性好、性能稳定、腐蚀性小。栲胶本身既是氧化剂，又是钒的络合剂，脱硫溶液的组成比改良 ADA法简单，且脱硫过程没有硫磺堵 塔问题。(3) 脱硫效率大于98%，所析出的硫容易浮选和分离。(4) 栲胶法脱硫整个脱硫和再生过程为连续在线过程，脱硫与再生同时进行， 不需要设置备用脱硫塔。(5) 煤气脱硫净化程度可以根据企业需要，通过调整溶液配比调整，适时加以 控制，净化后煤气中H2S含量稳定。142缺点(1) 配制脱硫液和往系统中补加时都要经过加热溶化制备过程。(2) 设备较多，工艺操作也较复杂，设备投资较大。1.4.3硫化物对作为原料气生产工艺过程的危害(1) 对催化剂的危害 硫使甲烷化催化剂，高(中)温变换催化剂，甲醇合成 催化剂何氨合成催化剂的主要毒物之一，能使它们的活性和寿命降低；(2) 对产品质量的危害 碳铵生产过程中，当变换气中硫化氢含量高时，在碳 化母液中积累增高。使母液粘度增大，碳铵结晶变油，不仅造成分离困难， 同时，由于生成FeS沉淀致使碳铵颜色变黑；(3) 在尿素生产过程中，硫化氢进入尿素合成塔时会生成硫脲，污染尿素产品， 降低产品质量；(4) 对铜洗操作的危害 铜氨液吸收硫化氢生成CuS沉淀，这种沉淀物颗粒很 细，悬浮在溶液中导致溶液粘度增大，发泡性增强，铜耗上升，破坏铜洗 系统的正常运行；(5) 对金属腐蚀 硫化氢能使碳钢设备及管线发生失重腐蚀，应力腐蚀，氢脆 和氢鼓泡，使设备及管线寿命减短；(6) 对人体的毒害 硫化氢是强烈的神经毒物，接触人的呼吸道粘膜后，即分 解成Na2S,加之本身的酸性对人体的呼吸道粘膜有明显的刺激作用。硫化氢经呼吸系统进入血液中来不及氧化时就会引起会全身中毒反应， 随硫化氢浓度的增加会造成呼吸麻痹， 窒息以致停止呼吸而死亡。因此，为 了提高企业最终产品质量和保持人们优良的生存环境，对粗煤气进行脱硫是非常必要的。1.4.4粗煤气脱硫系统的正常开车操作要点(1) 检查各设备，管道，阀门，分析取样及电器，仪表等，必须正常完好。(2) 检查系统内所有阀门的开关位置，应符合开车要求；(3) 与供水，供电，供气部门及造气，压缩工段联系，作好开车准备；(4) 将脱硫液成分调整在工艺指标范围内；(5) 氨规程进行系统吹净，清洗，试漏和置换工作(系统未经检修处于保压状 况下对的开车，不进行该项工作)；(6) 调净气柜出口水封积水；（7）开启各气体冷却塔和清洗塔进水阀，并调节好水量及各塔液位；（8）开启贫液泵进口阀，启动贫液泵，向脱硫塔打入脱硫液，并调节好液位；（9）开启富液泵进口阀，启动富液泵，向再生槽送液；（10）根据脱硫液循环量和再生液槽液位，调节好贫液泵，富液泵的打液量，并 控制好贫液槽，富液槽液位计流量；（11）开启罗茨鼓风机，并调节好粗煤气流量；（12）根据粗煤气流量大小，调节好液气比。适当开启清洗塔，放空阀，焦炉煤气脱硫合格后，与压缩工段联系，并关闭放空阀，向压缩机一段送气；（13）根据再生槽的硫泡沫形成情况，调节液位调节器，保持硫泡沫的正常溢流;（14）分析粗煤气中氧含量合格后，开启静电除焦油塔。1.4.5脱硫后硫化氢含量高的主要原因（1）进入系统的粗煤气中硫化氢含量过高，或进塔粗煤气气量过大;（2）脱硫液循环量小；（3）脱硫液成分不当；（4）脱硫液再生效率低或悬浮硫含量高；（5）进脱硫塔的粗煤气或贫液温度高；（6）脱硫塔内气液偏流，影响脱硫效率；146脱硫后硫化氢含量高的处理方法（1）联系造气工段更换含硫量低的煤炭，降低进脱硫系统粗煤气中的硫化氢含量或适当减少粗煤气气量;（2）适当加大脱硫液循环量；（3）把脱硫液成分调整扫工艺指标要求范围内；（4）检修喷射再生器或适当提高溶液进再生器的压力，增加自吸空气量，提高 溶液的再生凶案绿；检修离心机滤网，减少漏泡沫量，增加再生槽硫泡沫 的溢流量，减少溶液中悬浮硫含量；（5）加大气体冷却器的冷却水，降低进系统粗煤气温度；-5 -河南城建学院本科课程设计2生产流程说明2生产流程说明2.1反应机理反应机理是脱硫的根本，也是整个脱硫过程中的核心部分。 以下是栲胶法脱 硫的反应机理。(1) 碱性水溶液吸收H2SNa?CO3+H2S NaHS+NaHC03(2) 五价钒络合物离子氧化HS-析出硫磺，五价钒被还原成四价钒2V5+HS1- 2V4+S+H1+(3) 醌态栲胶氧化四价钒成五价钒，空气中的氧氧化酚态栲胶使其再生，同时 生成H2O2。TQ (醌态)+V4+2H2OTHQ (酚态)+V5+2OH-2THQ+O22TQ+H2O2(4) H2O2氧化四价钒和HS-4+5+-H2O2+V4 V 5 +2OHH2O2+HSH 2O+S+OH-(5) 当被处理气体中有CO2、HCN、O2时产生如下副反应。NaCO3+CO2+H2O 2NaHCO 3NceCO3+2HCNk2NaCN+H 2O+CO2NaCN+S NaCNS2NaCNS+5O2 Na2SO4+CO2+SO2+N22NaHS+2O2N&S2O3+H2O2.2主要操作条件(1) 溶液组分 溶液的主要组分是碱度、NaVO3、栲胶。(2) 碱度 溶液的总碱度与其硫容量成线性关系，因而提高总碱度是提高硫容量的有效途径，一般处理低硫原料气时，采用的溶液总碱度为0.4N，而对高硫含量的原料气则采用0.8N的总碱度。PH值再8.59.0。碱度过高，畐阪应加剧。(3) NaV03含量 NaV03的含量取决于脱硫液的操作硫容，即与富液中的HS-浓度符合化学计量关系。应添加的理论浓度可与液相中HS-的摩尔浓度相当，但在配制溶液时往往要过量，控制过量系数在 1.31.5左右。(4) 栲胶浓度 作为氧载体，栲胶浓度应与溶液中钒含量存在着化学反应的计量关系。从络合作用考虑，要求栲胶浓度与钒浓度保持一定的比例，同时还应满足栲胶对碳钢表面缓蚀作用的含量要求。目前还无法有化学反应方程计算所需的 栲胶浓度，根据实践经验，比较适宜的栲胶与钒的比例为1.11.3左右。工业生 产中使用的溶液组成见表2.2表2.2工业生产使用的栲胶溶液组成溶液类别总碱度/NNa2CO3 / (g-1) L-1栲胶/ (g LNaVO3 / (g-1) L稀溶液0.4341.81.5浓溶液0.8688.47.0(5) 温度 操作温度低，再生效果差；温度过高，副反应加剧，生成大量硫代 硫酸钠灯盐类，常温范围内，H2S、C02脱除率及Na2S2O3生成率与温度关系不 敏感。再生温度在45C以下，Na2&03的生成率很低，超过45C时则急剧升高。 通常吸收与再生在同一温度下进行，约为 3040C。(6) CO2的影响 栲胶脱硫液具有相当高的选择性。在适宜的操作条件下，它 能从含99%的CO2原料气中将200mg/m3 (标)的H2S脱除至45mg/m3 (标)以 下。但由于溶液吸收CO2后会使溶液的PH值下降，使脱硫效率稍有降低。2.3工艺流程来自除尘工段的半水煤气从脱硫塔底部进入， 与塔顶上喷淋下来的栲胶脱硫 液逆流接触，再极短时间内完成吸收硫化氢的反应。 脱除硫化氢的半水煤气由塔 顶出来，经旋流板，分离器分离掉所夹带的液滴后去压缩工段。脱硫后的富液由塔底出来去脱硫塔液封槽， 液封槽出来进入富液槽，然后又 再生泵加压送到喷射器，在喷射器内自吸空气并在喉管及扩散管内进行反应，然后液气一起进入在再生槽，由底部经筛板上翻，进行栲胶溶液的氧化再生和硫泡 沫浮选，再生后的贫液流入贫液槽，再生脱硫泵分别送往脱硫塔，循环使用。喷射再生槽顶浮选出来的硫泡沫自动溢流入中间泡沫槽，再由泡沫泵抽硫泡沫到上泡沫槽，经加温，搅拌，静止分层后，排去上清液，该上清液流入富液 槽内，硫泡沫经真空过滤机过滤，滤液流入地下槽，硫膏进入熔硫釜进行熔硫， 熔融硫流入铸模，待冷却成型后即成为副产品，硫膏。拟设计栲胶法脱硫及再生反应过程如下：（1）吸收：在吸收塔内原料气与脱硫液逆流接触硫化氢与溶液中碱作用被 吸收；（2）析硫：在反应槽内硫氢根被高价金属离子氧化生成单质硫；（3）再生氧化：在喷射再生槽内空气将酚态物氧化为醌态；以上过程按顺序连续进行从而完成气体脱硫净化，湿法脱硫和再生工艺流程 如下（见图）：1分离器；2脱硫塔；3 水封；4循环槽；5溶液泵；6 液位调节器;7 再生槽；8硫泡沫槽；9 真空过滤机；10 熔硫釜；11空气压缩机；图2.3湿法栲胶脱硫工艺流程简图2.4主要设备介绍2.4.1填料塔填料塔用于要求高的H2S脱除效率。用作脱硫的填料塔每段填料间设有人 孔，以供检查用。填料塔结构简单，造价低廉，制造方便。这种塔体，喷淋装置,填料再分布器，栅板以及气，液的进出口等部件组成。而填料是填料塔的核心部 作分，填料塔操作性能的好坏与所选的填料有很大的关系，选择填料应当遵循一下原则：单位体积填料的表面积大，气液相接触的自由体积大；填料空隙率要大， 气相阻力小；重量轻，机械强度高；耐介质腐蚀，经久耐用，价格低廉。而填料 的类型，尺寸和堆积方式决定于所处理的介质的性质。气液流量的大小和允许的 压力降。本次设计，我选用的是塑料阶梯环的乱堆填料， 这种填料使填料再床层 中以点接触为主，床层均匀，空隙率大，气流阻力小，利于下流液体的聚集及分 散，利于液膜的表面更新，故传质效率高，通常较鲍尔环提高10%，压降减少25%。填料的作用是完成对脱硫液及气体的再分布，同时为气液分布提供较大的 相界面。脱硫液从塔顶经分布器均匀喷淋在填料上，再填料表面形成液膜，并向下流动，与经填料空隙上升的气体接触，完成对 H2S的吸收。2.4.2氧化槽世界上使用最多的是有空气分布板的垂直槽，圆形多孔板安装于氧化槽的底 部，孔径一般为2mm,空气压力必须克服氧化槽内溶液的压头与分布板的阻力， 空气在氧化器的截面均匀的鼓泡，液体与空气并流向上流动，硫泡沫在槽顶部的 溢流堰分离，分离硫后的清液在氧化槽顶部下面一点引出。 这种形式的氧化槽需 要鼓风机将空气压入。中国很多工厂使用一种自吸空气喷射型的氧化槽，不需要空气鼓风机。液体加压从喷嘴进入，空气从文丘里的喉管吸入。氧化槽是一大直径的圆槽，槽内放置多支喷射器。氧化槽目前使用最佳的是 双套筒二级扩大式，脱硫液通过喷射再生管道反应，氧化再生后，经过尾管流进 浮选筒，在浮选筒进一步氧化再生，并起到硫的浮选作用。由于再生槽采用双套 筒，内筒的吹风强度较大，不仅有利于氧化再生，而且有利于浮选。内筒上下各 有一块筛板，板上有正方形排列的筛孔，直径15mm,孔间距20mm,开孔率44%。 内筒吹风强度大，气液混合物的重度小，而内外筒的环形区基本上无空气泡， 因 此液体重度大。在内筒和环形空间由于重度不同形成循环。氧化槽的设计有如下三个基本参数要求的空气流量；氧化器的直径；有效的液体容积。空气流量正比于硫的产量、反比于液体在氧化器内的有效高度， 比值可按氧化器内每米有效液面高度氧利用率为0.6%0.7%来计算。氧化器直径正比于空气流量与空气比重的平方， 为了得到良好的硫浮选，空气流速一般选 2530m3/(min m2)截面。液体在氧化器的停留时间正比于液体流量，要求的停留时间与氧化器数量有关，当用一个氧化器时，停留时间约45min，用两个氧化器 停留时间不超过30min,多级氧化器有较高的气液传质效率，第一个氧化器出来 的液体供给第二个氧化器，硫泡沫从第二个氧化器顶部分离，第一个氧化器的空 气流量大，增大湍流使传质加快。第二个氧化器空气流量较小，使硫浮选。2.4.3反应槽内有隔板以块。主要作用是增加脱硫液的反应时间。2.4.4贫液泵完成对贫液的升压与输送任务。H=54m,10SH-6A,Q=468 m3/h。245硫泡沫槽硫泡沫槽是一锥形底的钢制圆筒，槽顶设有1525转/min的搅拌机一个，以保持槽内硫泡沫经常呈悬浮状态。此槽容积可按存放36h的硫泡沫存量计2.4.6过滤器工业上常用连续作业的鼓形真空过滤机，所需过滤面积可按每1m2过滤面积 于1h内能滤过干燥硫磺6080kg计算。通常采用的真空过滤机，当过滤面积为 10m2时，其直径为2.6m，长为1.3m。传统的硫回收装置，是将硫泡沫经真空过滤机过滤成硫膏， 硫膏再送入熔硫 釜中熔融。中国最近使用戈尔膜过滤器来过滤硫泡沫。 该过滤元件是由多振过滤薄膜袋 组成，多孔膜的材料是聚四氟乙烯薄膜，可根据工作负荷的大小调整过滤薄膜袋 的数量和膜的孔径，以达到良好的过滤效果，单台过滤器的膜面积为22.550m2。戈尔薄膜滤料由于表面有一层致密而多孔的薄膜，不需要传统滤料的初始滤 饼层，一开始过滤就是有效过滤，当经过一段时间后滤饼层积累到一定厚度，同样也影响过滤流量，这时可以给滤料一个以秒计的反向推动力， 将滤料表面全部 的滤饼迅速而轻松地从滤料表面推卸下来， 称为反清洗。由于聚四氟乙烯自身的 化学特性，它与任何物质均不粘连，因而所有的滤饼均可被清洗下来，滤料又恢 复新滤料的过滤能力，这样过滤，反清洗，再过滤，再反清洗，一次又一次循环。 这一工艺可在同样的时间内达到传统过滤器 520倍的过滤流量，而用传统的过 滤材料是无法实现这种频繁的反清洗工艺的。戈尔过滤器是由罐体、管路、花板、滤芯、气动挠性阀、自动控制系统等组 成。戈尔膜过滤器一般安装在硫泡沫槽后。泡沫液经1#阀进入过滤器，空气经3#阀排放后关闭3#阀，溶液经上腔进入贮槽。过滤一段时间后滤饼达到定值时， 控制系统进入反冲状态，1#、2#、4#阀自动切换，反冲清膜，滤饼脱离袋沉降到 锥底部，系统重新进入过滤状态。滤饼达到一定量时，开6#阀排硫膏，去熔硫釜熔成硫磺或脱水生成硫膏出售。使用戈尔膜过滤器，可将硫泡沫高度净化，如进过滤器前悬浮硫含量为8g/L, 出膜过滤器清液悬浮硫含量8mg/L，取出的硫是硫膏，水分含量低，缩短了熔硫 釜的熔硫时间，并节省蒸汽。2.4.7熔硫釜熔硫釜是一个装有直接蒸汽和间接蒸汽加热的设备，其操作压力通常为 0.4MPa。其容积按能充满70%75%计算，而放入的硫泡沫含有40%50%的水 分。对于直径1.2m，有效高度2.5m的熔硫釜，每次熔化所需的时间约为34h。脱硫主要设备都用碳钢制作，因为其价格低廉，同时在许多的场合其性能可 以满足使用的要求。为了防止设备被腐蚀，除选择适当的耐腐蚀材料制造设备外， 还可以采用防腐措施对设备进行防腐。 如在吸收塔，再生器的内表面可适当的涂 覆保护层。或添加缓蚀剂等。而泵的密封采用机械密封，以减少溶液的漏损。机 械密封是一种功耗小，泄漏率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封，被广 泛地应用于各个技术领域中。以减少溶液的漏损。机械用适当的涂料涂刷为了防 腐，在吸收塔、再生器的表面可用适当的涂料涂刷。-11 -河南城建学院本科课程设计3工艺计算-20 -3工艺计算3.1物料衡算组分Na2CO3NaHCO3总碱总矶栲胶浓度(g/L)5.050.626.80.61.5(2)脱硫液成分3.1.1基础数据(1)半水煤气成分组分COCO2H2N202CH4ArH2S体积/%27.539.3139.5320.500.861.780.3540.136(3) 半水煤气中 H2S, Ci=2.4g/m3(4) 入冷却塔半水煤气温度，ti=55C(5) 出冷却塔入吸收塔半水煤气温度，t2=40 C(6) 入吸收塔半水煤气压力，0.04MPa表)312计算原料气的体积及流量以每年330个工作日，每天工作24小时连续生产，则每小时生产合成氨为：10000-( 330X24) =12.63 t/h考虑到在合成时的损失，则以每小时生产12.65吨计算为基准，所以nNH =12650 17=744.12 kmol/h则合成NH3所需要N2的物质的量为nn2 = nNH3 忌2 =744.12* 2 =372.06 kmol/h考虑到半水煤气经过洗涤、脱硫、变换等工序到合成的过程中氨气的损失，则损 失率以1%计，则半水煤气中氨气的物质的量为nN =37206 1.1 =409.26 kmol/h所以原料气中N2的体积为：Vn2 =22.4 409.26=9167.53 m3/h 根据原料气中各气体的体积比，则其他气体的体积为：9167 533= 9167.53x9.31 =4163.40 m3/h220.509167 533Vco =27.53 =12311.32 m /h20.50、，9167.53 “ lc cc 3.,Vh239.53 = 17677.68 m /h220.509167 5339167.53 0.86 =384.59 m3/h220.50VCH4 =9167.53 1.78 =796.01 m3/h20.50Va9167.53 0.354 =158.3 m3/h20.509167.53VH2s0.136 =60.8220.50V总=Vn2 Vco2 Vco Vh2 Vo2 Vch4 VAr +V H2S=9167.53+4163.40+12311.32+17677.68+384.59+796.01+158.3+60.823=44719.66 m/h根据气体方程，将0C、101.325KPa下的体积换算成55C、0.04MPa (表压)下的体积为：V =44719.66 273.15 55101.32538518.32 m3/h273.15101.325 +40则进入脱硫塔的气体的流量G = 38518.32 m3 / h 根据气体中H2S的含量计算H2S的质量入脱硫塔中H2S的质量：根据设计要求，出塔气体中H2S的含量为1.5mg/m3，则塔的脱硫效率是：二 2. 40. 05 mo嗨9 7. 92 %2.4由于原料气中H2S的含量低，故在脱硫的过程中原料气进入脱硫塔和出脱硫塔3的体积流量视为不变，则出塔气体的流量 W0 7851832 m/h所以出塔气中H2S的质量为m2=0.05 10 38518.32 = 1.93 kg/h故在脱硫塔中吸收的H2S的质量为 G二m1 - m2 =92.44-1.93=90.51 kg/h 脱硫液循环量的计算取脱硫液中硫容量为S=100g/m3根据液气比L/G=(C 1-C2)/S式中：C1为进脱硫塔气体中硫化氢的含量，g/m3C2为出脱硫塔气体中硫化氢的含量，g/m3S为硫容量，g/m33L为脱硫液的循环量，m/hG为进脱硫塔气体的流量，m3/h则液气比为 L/G=(Ci-C2)/S=(2.4-0.05)/100 = 0.02353脱硫液的循环量 L =0.0235 38518.32 =905.18 m /h因脱硫液在循环中有损失及再生率为95%，去损失率为10%则液体的循环量为 L L 1 10% = 905.18 1 10% =995.70 生产Na2S2O3消耗的H2S的质量G2，kg/h取Na2S2O3的生成率为H2S脱除量的8%，贝UG2 =0.08 90.51 =7.24 kg/h Na2S2O3的生成量G3，kg/h2H2S Na2S2O3G3 =G2 M Na2S2O3 / 2M H2S式中：M NaOsNa2S2O3的分子量M h2sH2S的分子量G3 =G2MNa2G2O3/2MH2s =7.24 158/ 2 34 =16.82 kg/h 理论回收量G4，kg/hG4 =(G1 -G2)Ms / M h2s式中：Ms硫的分子量G4 二 G -G2 Ms/Mh2s 二 90.51 -7.24 32/34 = 78.37 kg/h理论硫回收率，书=G/G1=8.37/90.51 = 86.59% 生成Na2S2O3消耗的纯碱量G5，kg/hG5 = G3M Na2CO3 / M NazSzOa式中：M Na2CO3Na2CO3的分子量16 82 x106叽.158.28kg/h硫泡沫生成量G6, kg/m3式中：G6=G4 / S1S1硫泡沫中硫含量，kg/m，取S1 =30kg/m3G6 二 G4/3 =78.37/30 =2.61 m3/h入熔硫釜硫膏量式中：G7 = G4 / S2S2硫膏中硫含量，kg/m3,取S1-20% （质量分数）G7 二G4/S2 =78.37/0.2 =391.85 kg/h表3.1物料衡算表（以每小时计）入脱硫塔气体流量338518.32 m3出脱硫塔气体流量338518.32 m脱硫塔循环量995.70 m3硫泡沫生成量2.61 m3硫化氢吸收量90.51 kg硫膏量391.85 kg消耗的纯碱量11.28 kg硫代硫酸钠生成量16.82 kg3.2热量衡算（以0C为计算基准）3.2.1基础数据半水煤气的平均式量M =28 0.2753 44 0.09312 0.3953 28 0.205 32 0.0086 18 0.0178 40 0.0049=19.127 kg /kmol半水煤气的密度：订二 PM / RT =（101.325 40） 19.127/8.314 （273.15 40）3=1.04kg /m半水煤气的质量流量 G0 二V0g =1.04 3851832 =40059.05 kg/h脱硫液密度计算用公式=1.0641 - 0.000446 T（ g/cm 3）脱硫液入脱硫塔时的温度T入=40 C，则P入=1.0641 0.000446 T =1.0641-0.000446x 40=1046.26kg/m入脱硫塔脱硫液的质量流量Wl入 =90.708 入 =94297.32kg / h脱硫液出脱硫塔时的温度T出:45C，贝，入亍出出脱硫塔脱硫液的质量流量wL出 :、WL入平均比热容的计算根据比热容的计算式C a bT cT2将半水煤气中的各组分的a、b、c值列于表中表3.2摩尔定压热容与温度关系物质COH282N2O2CH4ArH2Sa26.53726.8826.7527.3228.1714.1520.78633.878b/10-37.68314.34742.2586.2266.29775.496011.22c/10-6-1.172-0.3265-14.25-0.9502-0.7494-17.99052.555 C的比热容Cp,co =a + bT +cT2=26.537+7.6831X10 d0” (273.15+40) 1.172汉 10* x(273.15+40)2=28.83KJ /(Kmol K)CP,H2 =a+bT +cT2=26.88+4.347汉10域(273.15+40) 0.3265汉 10，x (273.15+40)2 =28.21KJ / (Kmol KCP, co? =a +bT +cT2 =26.75+42.258x10x (273.15 + 40) 14.25X106 x /273.15+40 =38.59KJ/(Kmol KCp，n =a +bT +cT2=27.32+6.226x10x / 273.15+40) 0.9502汇10 厘 x (273.15+40)2 =29.18KJ / (Kmol K)CpQ =a +bT +cT2=28.17+6.297 汉 10 汉 / 273.15+40) 0.7494汉 10x /273.15 + 40)2 =30.07KJ/(Kmol K)Cp,cH4 =a+bT +cT2=14.15*75.496x10x / 273.15+40)17.99x 10x (273.15 + 40)2 =36.03KJ/(Kmol K)Cp, h2s = a+bT +cT2 =33.878 +11.22 x10-江(273.15+40)52.5汇10-6 況(273.15 +40 31.87KJ / Kmol KCp,=a+bT +cT2 =20.786 + 0+0 = 20.786KJ /(Kmol K )Cp,m =送 Yi 汇 Cp,i =28.83汉 0.2753 + 28.21 汉 0.3953 + 38.59汉 0.0931 +29.18汉 0.20536.03 0.0178 30.07 0.0086 20.786 0.00354 31.87 0.00136=29.56KJ / Kmol K故半水煤气在55r的比热容Cp,55C =29.80KJ/(Kmol K )半水煤气在40E的比热容Cp,4。r = 29.56KJ /(Kmol K)脱硫液的比热容Cp, J/ (gr)Cp =3.839 0.00352T脱硫液的进口温度为35C，则进口时的比热容CP1=3.839 0.00352 35=3.962KJ / (KgC)脱硫液的出口温度约为35C，则出口时的比热容P1P2式中：Vf硫泡沫密度,Kg/m3,?F =1100Kg/m3.2.2洗涤塔热量衡算 洗涤塔热负荷Qi, KJ/hQG0(C55Pt1 -C40Pt2)/M式中：G0入洗涤塔半水煤气量Q1 二G(C55Pt1 -C40Pt2)/M = (29.80 55 -29.56 40)/19.127=1.82 106KJ 冷却水消耗量W3, m3/hW5=Q/(c_I2O -t)3式中：氏一一冷却水温升，取 t =5C, Ch2o=4.2KJ/ /Kg C) , p =1000Kg/mWQ/q。：t)=1.82 106/ / 4.2 1000 5) = 86.67m3/h3.2.3硫泡沫槽热量衡算硫泡沫槽热负荷，KJQ2 =Vf :CF(t3-t 4 )33硫泡沫体积，m，Vf =G6=2.61 mCf硫泡沫比热容，Cf = 3.68KJ /(Kg C)ta 槽中硫泡沫末温，C, ta =80 Ct4 槽中硫泡沫末温，C, t4 =40 CQ2 二VFfCf t3-t4 =2.61 1100 3.68 80-40 /4.167 = 1.01 105 KJ蒸汽消耗量W4, kg/hW4讥/片式中：r1130C蒸汽的液化热，KJ/Kg,r1=2202.26 KJ/KgW4 =Q2/r1 =1.01 105/2202.26 =45.86 kg324熔硫釜热量衡算 熔硫釜热负荷Q3 , KJ/釜Q3 = GgCs “S (七5 6) 0.5GgsCh 4二.(七5 -6)式中：G8每一釜硫膏量，m3/釜，设全容积为1.6m3，熔硫釜装填系数为75%,则 G8=1.60.75=1.2m3/釜Cs硫膏比热容,KJ /(KgC) ,Cs=1.8KJ /(Kg -C)硫膏密度，kg/m3,s=1500kg/m3t5 加热终温，C, t5 =135 Ct6 入釜温度，C, t6 =80 CCh 硫膏的熔融热，KJ/kg, Ch=28.69 KJ/kg熔硫釜向周围空间的散热系数，KJ / (m3 h C)， =12.56KJ /(m3 h C)2F6熔硫釜表面积，m , F6 = 9.2m24熔硫釜所需时间，h0.5硫膏中含硫膏50%GgCss(t5 -t6)表示硫膏温升吸收热量；0.5G8sCh表示硫膏熔融吸收热量;4 F6(t5 -t6)表示向环境散热量Q3 =1.2 1.8 1500 (135 -15) 0.5 1.2 1500 38.69 4 12.56 9.2 (135-15) = 479155.94 KJ / 釜 蒸汽消耗量，W5，KJ/釜W5 - Q3 / D式中：D 130C蒸汽的液化热，2=2202.26KJ / KgW5 =Q3/r2 =479155.94/2202.26 =217.57Kg/ 釜河南城建学院本科课程设计4主要设备的工艺尺寸和选型4主要设备的工艺尺寸和选型4.1填料吸收塔设计计算4.1.1塔径的确定塔径可以用下式计算由贝思一